專利名稱：用于發(fā)光二極管的光重定向及漫射模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例大致涉及照明系統(tǒng)領域，并且更具體地，涉及基于LED的光學單元。
背景技術：
隨著發(fā)光二極管(LED)效率(以每瓦特的流明衡量)與光通量(以流明衡量)增加且價格下降，預計LED照明與基于LED的燈很快將成為迄今占統(tǒng)治地位的用于提供大面積照明的基于發(fā)光管(TL)的燈的重要替代并處于與其可競爭的水平上。這樣的燈常見于辦公建筑，形式為I 5厘米到2.4米長的管，直徑5/8英寸、I英寸、1.25英寸或更大，沿其管的長度提供均勻的照明。典型的TL光通量輸出密度為每米管長度3000流明。對于LED改裝型，還可得到更低的數值。當前的LED燈是通過將大量LED成線性陣列安放在基板上而制成，其中每個LED為透鏡所包圍，所述透鏡配置成在垂直于LED陣列并平行于基板平面的方向上將LED發(fā)出的光重定向到彎曲的反射表面上。圖1示出US2005/0265042中所公開的一個這樣的燈30。如所示，燈30包括兩個LED陣列，其中每個LED陣列含有沿相應反射表面31的長度成行排布在基板20上的LED 10。因為，如圖1中所示，反射表面31是彎曲的，所以在水平方向上入射其上的光在垂直方向上反射，從而提供照明。這種布置的一個缺點是提供彎曲的反射面對制造提出了挑戰(zhàn)。另一個缺點是各個LED所發(fā)射的光的一部分被損失掉，因為所述光必須穿過相應透鏡，離開透鏡，再由反射表面反射。本領域需要一種能夠對至少部分上述問題加以改進的解決方案。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的一個方面，提供一種光學單元。所述單元包括位于表面上的LED和包圍所述LED的單片模塊。所述單片模塊包括重定向部分與第一漫射部分，其中所述第一漫射部分配置成漫射入射在其上的光，所述重定向部分配置成重定向從所述LED發(fā)出的光的至少第一部分以入射在所述第一漫射部分上。根據本發(fā)明的另一個方面，公開了一種包括兩個或更多這樣的光學單元的燈。在一個實施例中，所述兩個或更多這樣的單元可在例如管狀殼內成行布置，從而一起構成線性光源。在另一實施例中，大量這樣的單元可成網格或任何其他圖案布置，從而一起形成面光源。所述燈還包括可選的蓋，所述蓋能夠例如對所述單元產生的光提供額外的漫射。根據本發(fā)明的再一方面，公開了一種包括被單個單片模塊所包圍的至少兩個LED的燈(“擠壓輪廓”)。如此處所用，術語“單片”用于描述這樣的模塊，其中具有一項功能(例如所述光漫射部分)的模塊部分是具有另一功能(例如所述光傳播部分)的另一模塊部分的集成部分，或換而言之，其中在單一主體的不同部分上實現不同光學性質。
本發(fā)明基于這樣的認識:使所述第一漫射部分成為所述單片模塊重定向部分的集成部分允許顯著地簡化所述光學系統(tǒng)的制作而同時保留所需要的功能。提供所述第一漫射部分則可簡單地包括例如將白色涂料涂敷到透鏡的適當表面或例如使用2K模塑，其中可使用所述透鏡將從LED發(fā)出的光重定向以入射到所述白色涂料或塑料上。在一個實施例中，所述重定向部分還配置成將LED所發(fā)射的光的第二部分引導成不入射在所述第一漫射部分上。此實施例使從LED發(fā)出的光的一部分可從所述單片模塊“漏出”而不被所述第一漫射部分漫反射。在一個實施例種，這樣“漏出”的光可包括從LED發(fā)出的光的5-10%，不過，為了例如獲得照明單元足夠均勻的表現，此百分比可進一步調整。為了在最高程度減少炫光的情況下最大化效率，此百分比應盡可能低。不過，為了最小化光斑不均勻，來自所述漏出光與來自由所述漫射部分所漫射光的燈的每單元表面的流明總量應優(yōu)選為在所觀察表面上處處相同。所述光漏出處(例如單片模塊的頂部中心，所述模塊的轉角，等等)的位置與形狀和所泄漏的光線的量與方向也可以在均勻光源亮度方面優(yōu)化。對于單片模塊的純折射重定向部分，這可通過將經精細計算的褶皺(例如類似微透鏡的微結構、‘全息漫射體’狀的結構或帶有經過限定的角度分布的其他微結構)加到所述模塊外表面的選定位置處來實現。如果所述模塊的外表面是鏡面，可增加類似結構，但除此以外，所述鏡面可以局部地做成或多或少透明的以得到所需要某種泄漏。備選地或額外的，通過將一個或多個同心環(huán)引入所述重定向部分的內表面和/或外表面上和/或在所述內表面與外表面之間延伸，可以實現受控的光泄漏。如果重定向部分是旋轉對稱的，同心環(huán)的中心可適配成與所述重定向部分的對稱軸重合。這樣的環(huán)允許更容易修改光學元件。因此，所述環(huán)的對稱優(yōu)選地關系到光學元件(也即，重定向部分)和/或包含這樣的光學元件的燈的對稱而不是關系到相應LED的對稱。當然，在其他實施例中，所述環(huán)可做成關于相應LED的光束圖案的對稱軸對稱。另外，在所述可選的光學漫射蓋與所`述模塊之間可出現有額外的體積漫射器和/或表面漫射器，以進一步改善所提供照明的均勻性。額外的體積和/或表面漫射器可具有分別在其體積或表面上變化的經過優(yōu)化的形狀和/或光學性質。如果模塊的所述重定向部分是透明的，也可以在所述塊體(bulk)內或所述表面上包含散射元件以引導光泄漏。在以最佳光斑均勻性為目標的實施例中，所述第二部分可以包括從所述LED發(fā)出的光的不到45%。該實施例有利地指定從LED發(fā)出的光的大部分(55%或更多)可被漫射。在以最佳效率而不是最佳光斑均勻性為目標的實施例中，所述第二部分包括從所述LED發(fā)出的光的不到5-10%。該實施例有利地指定從LED發(fā)出的光的大部分(90%或更多)可被漫射，而只有一小部分光從模塊“漏出”。在一個實施例中，所述單片模塊還可包括第二漫射部分，并且所述重定向部分還可配置成重定向從所述LED所發(fā)出的光的第三部分以入射在所述第二漫射部分上，使得所述重定向的光的第一部分的平均方向(到LED安裝在其上的“背平面”表面上)的投影與所述重定向的光的第三部分的平均方向(到LED安裝在其上的“背平面”表面上)的投影形成在O度與180度之間的角。該實施例指定了由LED發(fā)出的一些光可被重定向例如不僅到模塊的相對側表面，而且到其它方向。這對于從包括例如成矩形圖案布置的四個或更多這種單元的燈獲得均勻照明尤為有利，所有單元由此一起形成面光源。在一個實施例中，其中所述單片模塊關于所述單片模塊的對稱軸旋轉對稱，所述對稱軸與所述LED的光束圖案(beam pattern)的對稱軸重合。如這里所使用，術語“旋轉對稱結構”指的是關于繞該結構的對稱軸成一定角度或所有角度的旋轉具有對稱性的結構。在一個實施例中，單片結構可關于模塊的對稱軸的所有角度旋轉是旋轉對稱的，由此具有圓形的頂輪廓。在另一實施例中，單片模塊可僅關于模塊的對稱軸的特定角度的旋轉是旋轉對稱的，由此，具有非圓但對稱的頂輪廓。例如，關于90度旋轉具有旋轉對稱性的單片模塊可具有方形頂輪廓。進一步地，如這里所使用，術語LED的“光束圖案”指的是LED的強度分布，其給出在空間所有方向上的每立體角的通量。在實施例中，LED可包括發(fā)光裸片和位于發(fā)光裸片上方并配置成密封所述裸片的圓頂，其中所述單片模塊位于所述圓頂上方。該實施例指定可包括單片模塊作為“次光學元件”，其中，如這里所使用的，該術語指的是不包括在LED封裝內的光學元件。相反，“主光學元件”通常指的是包括在LED封裝內的器件，例如發(fā)光裸片、位于發(fā)光裸片上方并配置成保持所述裸片的圓頂等。在一個實施例中，所述LED可包括發(fā)光裸片且所述單片模塊可直接位于所述裸片的上方。與先前實施例相反，該實施例使得可在LED封裝內包括單片模塊作為“主光學元件”。在又一實施例中，LED可包括多個發(fā)光裸片，該多個發(fā)光裸片具有一個或多個位于其上方的圓頂或直接的單片模塊。在一個實施例中，所述重定向部分配置成通過全內反射重定向光。與用鏡重定向光的某些現有技術實施方式相反，該實施例提供重定向部分在引導由LED發(fā)出的光時損耗最小的優(yōu)點。 在一個實施例中，第一漫射部分包括具有漫射性質，位于單片模塊的部分重定向部分上的材料。這一材料可例如是白色涂料或白色塑料。在一個實施例中，所述單元還可包括漫射蓋，所述蓋配置成漫射地透射入射在其上的光，其中所述第一漫射部分可配置成漫射地反射入射在其上的光以入射在所述漫射蓋上。該實施例通過漫射透射蓋而提供額外的漫射。在優(yōu)選的實施例中，由LED發(fā)出的第一部分光的每束在被直接透射出所述單元或經由蓋被漫射透射出所述單元之前都僅被第一漫射部分漫反射一次。以這種方式反射光使光損耗最小。在一個實施例中，LED可包括高功率LED，其能以65或更高流明的光通量發(fā)光。在燈中包括高功率LED允許使用更少的LED從燈獲得所需的亮度輸出，從而降低燈的成本和復雜性。另外，由于能發(fā)出這種通量的高功率LED裸片的尺寸通常大于lXlmm2，對于這種LED來說，包括如下的單片模塊尤為有利，該模塊內表面被改為包括峰。但是，盡管這里公開的實施例尤其有益于采用高功率LED，當然，本發(fā)明的教導也可實施于光通量小于65流明的 LED。在一個實施例中，所述單片模塊可以包括內表面與外表面，使得所述內表面被適配成形成腔，其中所述腔適配成至少部分地包圍所述LED，所述內表面被適配成折射從所述LED發(fā)出的光的第一部分的至少第一部以入射在所述外表面上(在入射在所述第一漫射部分之前)，所述外表面被適配成通過全內反射反射入射在其上的光的所述第一部分的所述第一部，并且所述內表面包含峰。該峰可被認為由內表面的兩個部分形成，并可優(yōu)選地適配成在LED中心上方。在各種實施例中，在單元的剖面視圖中，所述剖面的選取使得包括LED的光束圖案的對稱軸，這兩個部分可包括，例如以一角度連接的內表面的兩個線性部分(即，兩個線性部分形成小于180度的角度)，兩個凸曲線，兩個凹曲線，或兩個部分的每一個為線性部分、凸曲線或凹曲線的任意組合，其中，可選地，峰還可是圓的。在某些實施例中，峰可被認為是單片模塊的內表面的“頭部”，而內表面鄰接峰的部分可被認為是“肩部”。但是，在其它實施例中，峰可被認為是內表面的“頭部”，而在單片模塊的內表面中沒有任何“肩部”。如這里所用的，包括峰的單片模塊的內表面的發(fā)明構思意欲涵蓋內表面適配成繞LED形成腔，該腔為非球的、大致凸形的所有實施例。術語“大致凸形”用于描述大體上凸起，但可包括某些凹形或線性部分的形狀，例如，圖16所示內表面。與此定義符合，包括峰的內表面的概念不涵蓋形成圓頂形腔的內表面(因為圓頂是球形，而不是非球形)，并且不涵蓋形成矩形腔且LED適配成沿矩形的邊放置的內表面(因為矩形不是“大致凸形”)。這一單片模塊可用于將由LED發(fā)出的光從大致垂直方向重定向成大致水平方向或向下水平(“向后”)方向。這一模塊還可用作內耦合結構，適于將由LED發(fā)出的光耦合到光導，在這種情況下，模塊可為光導的集成部分。單片模塊的內表面有峰的構思基于這樣的認識:當模塊的厚度減少到LED發(fā)光表面可與模塊厚度相比的程度時，LED不能再被視為從在發(fā)光表面中心的單個點發(fā)光的點光源。相反，當確定允許由LED發(fā)出并入射在外表面上的所有光束都由TIR反射的模塊形狀時，必須給予LED發(fā)光表面的擴展尺寸以特別的重視。如果不給予這種重視，從LED發(fā)光表面邊緣附近發(fā)出的光束會以不滿足在模塊外表面處的TIR條件的角度進入模塊，這些光束將會從模塊逸出或漏出。因此，應注意確保從LED發(fā)光表面邊緣附近發(fā)出的光束以仍滿足TIR條件的方式入射在模塊的外表面上。在不增加模塊總體厚度的情況下，這種注意包括相對模塊的最大厚度和模塊外表面形狀適配內表面的形狀，使得由LED發(fā)出并入射在內表面上的所有光束，即使是從LED發(fā)光表面的邊緣附近發(fā)出的光束，也能被內表面以這樣的角度折射:折射光束在LED外表面上的入射角度會滿足TIR條件。只有這樣，由LED發(fā)出的所有光束才能被包含在 單片模塊內。以下描述并在圖5中不出的在現有技術實施方式中使用的圓頂形內表面對于使光泄露最小化來說不是最優(yōu)的，因為從LED邊緣附近發(fā)出的有些光束可能會從模塊的外表面漏出，如圖13B和13D所示，并在以下更詳細地說明。相反，根據本發(fā)明實施例在LED上方包括峰的內表面更為理想，因為只有對這種非圓頂形表面，可關于模塊外表面的形狀和最大厚度確定使得由LED發(fā)出的所有光束會以如下這樣的角度折射的形狀:折射光束在模塊外表面上的入射角度會滿足TIR條件。在一個實施例中，不是整個單片模塊，而只是模塊的內表面可關于內表面的對稱軸旋轉對稱，所述內表面的對稱軸適配成與LED的光束圖案的對稱軸重合(S卩，適配成包圍LED的腔可做成旋轉對稱)，反之亦然。在一個實施例中，在所述單元的橫截面內，所述橫截面包括所述LED的光束圖案的對稱軸，所述峰在沿所述LED的光束圖案的對稱軸的一點處。如此，模塊的內表面會包括在LED上方、沿LED光束圖案的對稱軸的單個峰。從下文起將更詳細地說明本發(fā)明的實施例。但應理解，該實施例不應被解釋為限制本發(fā)明的范圍。


在所有附圖中，勾畫尺寸僅用于示意而不反映真實的尺寸或比率。所有附圖都是示意性的而非按比例的。特別是厚度相對于其他尺寸是夸張的。另外，為了清晰，諸如LED芯片、電線、基底、外殼等等細節(jié)有時已從圖中省略。圖1示出根據現有技術的基于LED的燈；圖2A示出根據本發(fā)明一個實施例的光學單元的三維視圖；圖2B示出根據本發(fā)明另一實施例的光學單元的三維視圖；圖2C示出圖2A與2B的光學單元的剖面?zhèn)纫晥D；圖3A示出根據本發(fā)明又一實施例的光學單元的三維視圖；圖3B示出圖3A的光學單元的剖面?zhèn)纫晥D；圖4A-4E示 出根據本發(fā)明的各種實施例在燈內布置圖2A、2B和3A的光學單元的一些不例方式；圖4F示出根據本發(fā)明的一個實施例，采用含所有LED的單片模塊時，在燈內布置圖3A的光學單元的例子；圖4G示出圖4F的布置的三維視圖；圖5示出根據現有技術的光導；圖6A示出根據本發(fā)明的一個實施例，具有含一個LED的單片模塊的優(yōu)化內表面的光學單元的三維視圖；圖6B示出根據本發(fā)明的一個實施例，圖6A的光學單元的剖面?zhèn)纫晥D；圖6C示出根據本發(fā)明另一實施例，內耦合該圖6A的光學單元的應用的光導的剖面?zhèn)纫晥D；圖7提供在圖8-12的描述中使用的光學單元的概略示意8提供當所述LED被視為點發(fā)光源時，滿足TIR條件的重定向結構的外表面的橫截面形狀的計算結果；圖9提供當所述LED被視為浸沒式擴展發(fā)光源時，滿足TIR條件的重定向結構的外表面的橫截面形狀的計算結果；圖10示出對于上述滿足TIR條件的重定向結構，光學元件尺寸對LED的發(fā)光表面的尺寸的依賴性；圖11提供當所述LED被視為點發(fā)光源、或浸沒式擴展光源或由重定向結構的圓頂形內表面包圍的擴展光源時，滿足TIR條件的重定向結構的外表面的橫截面形狀的計算結果的比較；圖12提供對于帶有不同的內耦合腔的最小厚度TIR重定向結構的不同橫截面的計算結果的比較；圖13A-13D示出圍繞LED形成圓頂腔的重定向結構與根據本發(fā)明一個實施例在LED上方形成有尖峰的腔的重定向結構之間關于漏光的差異；圖14示出根據本發(fā)明一個實施例帶有受控漏光的光學單元的平面650內的橫截面?zhèn)纫晥D15示出根據本發(fā)明另一實施例帶有受控漏光的光學單元的平面650內的橫截面?zhèn)纫晥D；以及圖16示出根據本發(fā)明不同實施例，包括不同形狀峰的內表面。
具體實施例方式在下面的描述中，提出大量具體細節(jié)以提供對本發(fā)明更透徹的理解。然而，本領域技術人員應理解本發(fā)明可在沒有這些具體細節(jié)之一或更多個的情況下實現。在其他例子中，為避免模糊本發(fā)明，未描述眾所周知的特征。圖2示出根據本發(fā)明的一個實施例的光學單元200A的三維視圖。如圖所示，單元200A包括由模塊215A圍繞并位于與模塊215A的底表面205相同的平面(例如印刷電路板的頂表面)上的LED 210。模塊215A的側表面220A被制成使其漫反射入射在其上的光。該模塊215A的塊體(bulk)為配置成將LED 210所發(fā)射的光導向到入射在側表面220A上的重定向和光傳播結構。由于配置成漫 反射光的模塊215A的部分是模塊215A的側表面，而配置成將光導向到漫射部分上的模塊215A的部分是模塊215A的塊體，所以這樣的模塊215A可稱為單片模塊，所述單片模塊包括光漫射部分(也即表面220A)和光重定向部分(也即模塊215A的塊體與模塊215A除表面220A之外的其余表面)，其中漫射部分與重定向部分是一體的組成部分。本領域技術人員將認識到既然“光的漫射”也是“光的重定向”，漫射部分也就重定向入射到其上的光。不過，對于這里所提供的討論，在漫射部分與重定向部分之間的差異在于盡管漫射部分不但漫射而且重定向光，但重定向部分重定向而不漫射光。如圖2A中所示的實施例中，模塊215A的重定向部分可以是透鏡，所述透鏡設計成改變LED所發(fā)射的光的路徑以在基本上沿單元200A或可能包含單元200A的燈的橫向方向(箭頭242與244所示)入射在漫射表面220A上。在其他實施例中，為了導向LED 210在其他方向，例如垂直于橫向方向上所發(fā)的光，模塊215A可以有不同的形狀以便允許在不同模塊之間當相鄰安放時混合光。另外，可優(yōu)化模塊215A的表面和/或側壁以重定向光，以在漫射表面整個長度上方提供所要求的照明。圖2B中示出一個這樣的實施例，其示出根據本發(fā)明另一實施例的光學單元200B的三維視圖。在圖2B中，帶有與圖2A中相同附圖標記的元件表示與圖2A中相同的元件。因此，關于這些元件的所有上述討論在這里也是適當的，并為簡明而不再重復。單元200B與單元200A的不同在于模塊215B關于繞軸線255的所有旋轉角度圓形對稱，其中軸線255是LED 210光束圖案的對稱軸。單元200B不同于單元200A還在于模塊215B的漫射部分是如表面220B所示的表面，并且模塊215B的塊體被配置成將LED 210所發(fā)的光導向到在所有側部圍繞LED 210的表面220B上，與將所述光大部分導向到側表面220A上相反。如圖2A與2B的三維視圖中所示，模塊215A與215B都可關于如平面250所示的平面對稱。為了更詳細地說明單元200A與200B的操作，在圖2C中示出這些單元的剖面?zhèn)纫晥D。圖2C的剖面沿平面250獲得，使得單元200A的橫截面看起來與單元200B的橫截面相同。因此，在圖2C中，以劃線(dash)標記列出的元件標號(例如，“215A/215B”)意在表示該元件可能屬于單元200A或單元200B，且以下描述同適用于兩個單元。
在操作中，LED 210發(fā)出入射在模塊215A上的光(無論是頂發(fā)光LED還是側發(fā)光LED)。在各種實施例中，LED 210可包括高功率LED，能夠提供有65或更高流明的照明輸出的光。如圖2C中所示，LED 210可包括用圓頂214覆蓋的LED裸片212。LED裸片212被配置成響應驅動信號而發(fā)光。用作LED裸片212的材料基本上確定了 LED 210的特性，例如顏色、亮度和/或光強度。可用于LED裸片212的可能材料包括無機半導體，例如GaN、InGaN>GaAs>AlGaAs,或者有機半導體,例如基于Alq3的小分子半導體或基于例如聚對苯撐乙炔和聚芴的衍生物的聚合物半導體。圓頂214通常被配置成保護LED裸片212免受環(huán)境因素影響和/或確定LED的特性，例如最大化LED的總光通量同時為了最大數量的應用還安裝在特定的封裝內或匹配LED的強度分布。在不同的實施例中，圓頂214實際上可以具有與圖2C中所示的半圓頂不同的形狀，用以適合LED 210應用的特定需求。如帶有間隙235的圖2C中所示，在所示實施例中，模塊215A在與LED 210無物理接觸的情況下包圍LED 210。所以，間隙235是在LED 210的圓頂214與模塊215A之間的間隙。間隙235可以是空氣或可以用具有適當光學性質的材料充填。在后者的情況下，可能需要不同形狀的模塊215A。在備選實施例中(圖2C中未示出)，模塊215A也可與LED210物理接觸。盡管圖2C示出包括用圓頂214覆蓋的發(fā)光裸片212的LED 210，單元200A也可在不包括圓頂214作為LED 210 —部分的情況下實現。代之以可使用模塊215A本身執(zhí)行在發(fā)光裸片212上的所述 圓頂的功能。在這樣的實施例中，模塊215A可稱為包括LED 210與模塊215A的LED封裝的“主”光學組件，并可以直接位于發(fā)光裸片212上(也即與裸片接觸，在LED 210與模塊215A之間無間隙，比如間隙235)或有間隙(類似于例如間隙235)地包圍裸片212。如圖2C所示，在操作中，LED裸片212發(fā)出光(以光線251和252示意性示出)，該光首先入射在模塊215A上。模塊215A的重定向部分則配置成使光的大部分(例如大于80% -90% )折射及反射以入射到漫射表面220A上。圖2C示出光線251在點261處入射在表面220A上而光線252在點262處入射在表面220A上。繼而，表面220A在不同的垂直方向上漫反射入射其上的光，如從點261與262源起的箭頭所示意示出。這樣的操作可通過跟蹤比如光線252來說明。光線252有三段:252a、252b，及252c。段252a示出由LED裸片212發(fā)出的光線252在填充間隙235的材料與模塊215A之間的邊界折射之前的一段。注意，為了不使附圖混亂盡管沒有在附圖2C中示出，段252a也可根據邊界處各材料的折射率在圓頂214與填充間隙235的材料之間的邊界處折射。段252b示出光線252在填充間隙235的材料與模塊215A之間的邊界處折射后，并被模塊215A的重定向部分引導成在點262處入射在表面220A上的一段。在優(yōu)選的實施例中，模塊215A的重定向部分可以由不吸收LED210發(fā)出的光的材料制成，并根據全內反射原理設計成引導LED 210所發(fā)的光。例如，模塊215A的重定向部分可以由透明的PMMA、聚碳酸酯、玻璃或可比較的材料制成。在其他實施例中，模塊215A的重定向部分也可用鏡表面(例如金屬或電介質)來實現，無論是中空的還是使用透明材料填充的。
段252c示出光線252在其由表面220A漫反射后的部分。在一個實施例中，表面220A可包括位于模塊215A表面上的平坦的白色材料并包括例如白色塑料、白色涂料或其類似物。盡管圖2C示出光線被引導到在單元200A右側上的表面220A上，類似的圖示與描述可擴展到單元200A的其他側面上的表面220A。作為包含漫射部分與重定向部分的單片模塊的模塊215A不同于現有技術的實施，在該現有技術的實施中LED所發(fā)射的光被透鏡重定向到作為不同元件的漫射器上，例如圖1中所示的分離的彎曲表面。通過例如將白色涂料涂敷到重定向結構的適當部分或使用2K模塑工藝制造漫射部分是重定向結構的一體部分的單元可以使帶有諸如200A的燈具、系統(tǒng)和/或燈的制造相比圖1的結構明顯更為容易。另外，為了最小化光損耗，單片單元與LED安裝于其上的安裝平面的底表面205和/或關聯(也即接近LED的)部分也可以通過對這些部分以白色涂料涂敷或2K模塑可以轉化為反射漫射表面。這可以降低燈的其他表面上的光學要求，則使得所述要求可針對例如最佳機械或熱性質而進行優(yōu)化。如果將單片模塊實現為圓形215B或如果將單片模塊實現為215A形狀但有三個、四個或更多個漫反射表面220A，使得模塊215A的頂表面與底表面各有多邊形形狀，則降低要求的好處則被進一步加強。為了將光損耗最小化，模塊215A可以以這樣的方式設計:在逸出單元200A之前或在入射于覆蓋單兀200A的可選蓋(未不出)上之前，光優(yōu)選地僅由漫射表面220A反射一次。為了盡可能的接近此最佳情況，模塊215A的重定向部分可具有如下的光束圖案，該光束圖案的最大可能比例入射于模塊215A的漫射部。在一個實施例中,可選的蓋可含有透明材料使所述蓋簡單地透射其上的入射光。備選地，可選蓋可含有漫射透射層，配置用于漫射透射其上的入射光，從而改善單元200A所提供的照明均勻度。如這里所使用，術語“漫反射”及其派生詞是指80-90%以上的光被準朗伯反射，而術語“漫射透射”及其派生詞是指40-60%以上的光被準朗伯透射。優(yōu)選地，可選蓋的漫射性質應優(yōu)化為將所傳輸光 的量最大化，而仍滿足均勻度要求。模塊215A的重定向部分可設計成引導LED 210所產生的大部分光入射在表面220A上?？蛇x地，為了避免會降低單元200A效率的光吸收，模塊215A底部的至少一部分可做成至少部分反射。LED 210所產生的光要入射在表面220A上的最佳比例取決于對于要采用單元200A的特定設備在照明均勻度與效率之間的可接受的折中。例如，對于包括兩個或多個例如成行布置的單元200A的燈，為了最佳效率及最大程度減少眩光，可將每個LED 210所產生的光的100%入射在各自的表面220A上。在其他實施例中，模塊215A的重定向部分可包括一個或多個段(圖2C中未示出)，LED 210所發(fā)出的部分光可從所述段“漏出”(也即逸出模塊215A而不是受引導入射在表面220A上)。在又一實施例中，漏出的光可入射在可覆蓋模塊215A的可選的漫射蓋上(圖2C中未示出)。這樣可選的漫射蓋可配置成漫射透射其上的入射光(類似于上述的可選漫射蓋)。雖然圖2C的以上描述指的是單元200A的元件，對于本領域技術人員來說明顯的帶有微小修改的類似教導可適用于單元200B。模塊215B相對于繞軸線255的所有角度旋轉成旋轉對稱。因此，單元200B沿包括軸線255的任意平面所取的橫截面會看上去類似沿圖2C中所示平面250所取的橫截面。對于這些橫截面中的每一個，可應用相似的推理來分析LED 210所發(fā)射的光在模塊215B內是如何受到引導。這樣的實施例對于有大量單元200B的區(qū)域燈可能特別有益，其中在一個方格內可能安排有例如4個或9個單元200B —起充當面光源或可能在一個三角格內安排有例如6個單元200B也一起充當面光源，如圖4D-4F中所示并將在下面詳述。圖3A示出根據本發(fā)明又一實施例的光學單元300的三維視圖，而圖3B示出光學單元300的剖面?zhèn)纫晥D。如圖3A與3B中所示，單元300包括LED 310和具有漫反射表面320的模塊315。LED 310可以類似于以上所描述的LED 210。因此，以上關于LED 210的所有討論都在此適用于LED 310，且為了簡潔起見不在此重復。單元300與模塊315分別類似于單元200A與模塊215A，因此以上所有關于單元200A與模塊215A的討論都在此分別適用于單元300與模塊315，但也有一些差異。一個差異是模塊315的形狀特別有利于通過將大量LED 310成行安放并使單一模塊315包圍所有LED 310形成所謂“擠壓”輪廓來制造線性光源，如帶有以下所描述的燈400F的圖4F與4G所示。而且，通過使用擠壓輪廓，制造可被明顯簡化并變得不那么昂貴。注意，白色漫射側表面可被共擠壓，從而允許在一個連續(xù)的過程中制造所述光學元件。此夕卜，在同一過程中，可選的漫射蓋也可能被共擠壓。在用于例如提供大面積照明的燈內可使用以上所描述的兩個或更多單元200A、200B和/或300。根據本發(fā)明的各種實施例，圖4A與4B示出用于將諸如單元200A與300的光學單兀安排在燈內的一些不范方法，圖4C-4E不出用于將光學單兀200B安排在燈內的一些示范方法，而圖4F與4G示出將單元300安排在燈內的例子的不同視圖。圖4A-4E分 別示出燈400A-400E的頂視圖。如圖2A-2C、3A與3B中所見，單元200A、200B和300的頂部輪廓分別與包含在其內的單片模塊215A、215B和315的頂部輪廓重合。因此在圖4A-4E中未特別標出單片模塊215A、215B和315，但單元200A、200B和300的條紋部分旨在示出包含在其內的單片模塊的漫射部分。圖4A示出諸如單元200A或單元300的四個光學模塊可成行放置在基板405A上，其中，對于每個單元來說，漫射部分位于燈400A的橫向方向上。換言之，圖4A示出每個漫射部分的長軸平行于燈400A的縱向方向。以此方式安排的單元200A與300可一起充當線性光源?；趯ΨQ的考量，在白色表面上的最大亮度將在圖2A的平面250內。由于漫射器以兩個不間斷的行對齊，并有相鄰的短邊，圖4A的配置將或多或少地示出兩個平行線的外觀。將所述單元成行安排允許光從一個單元漏到下一個單元，這可有助于在相鄰LED之間均勻化任何顏色/通量差異。圖4B示出諸如單元200A或單元300的四個光學模塊可成行放置在基板405B上，其中，對于每個單元來說，漫射部分都位于燈400B的縱向方向上。換言之，圖4B示出每個漫射部分的短軸平行于燈400B的縱向方向。以此方式安排的單元200A與300也可一起充當線性光源?；趯ΨQ的考量，在白色表面上的最大亮度將在圖2A的平面250內。當漫反射表面以中斷的單行與相鄰長邊對齊時，圖4B的配置將或多或少地示出一條線的外觀。以亮度分布來說，線光源的線性方向以這樣的布置得以突出。在另一方面，如果單獨尋址的話，這樣的布置也可允許將明確限定的像素切換成打開或關閉。
圖4C示出四個光學單元200B可成行位于基板405C上，其中，對于每個單元，單片模塊的重定向部分配置成在繞LED的所有方向上引導相應LED所發(fā)的光。以此方式安排的單元200B也可一起充當線性光源。圖4D示出九個光學單元200B可在基板40 上以方格放置，其中，對于每個單元，單片模塊的重定向部分都配置成在繞LED的所有方向上引導相應LED所發(fā)的光。以此方式安排的單元200B可一起充當面光源。圖4E示出六個光學單元200B可在基板405E上以三角格放置，其中，對于每個單元，單片模塊的重定向部分都配置成在繞LED的所有方向上引導對應LED所發(fā)的光。以此方式安排的單元200B也可一起充當面光源。最后，圖4F示出單元300可在燈400F內成行布置，同時采用包圍所有單元300的所有LED 310的單一模塊315 (也即擠壓輪廓)。圖4G示出這樣布置的三維視圖。如上所描述，實施擠壓輪廓可以允許通過在一個連續(xù)過程中共擠壓所有漫射側表面和可選的漫射蓋，來簡化制造并降低燈的總體成本。圖4A-4G旨在提供一些示意性圖例實施例，本領域技術人員將認識到對于在燈內布置單元200A、200B和/或300可以有很多不同的其他方法。例如，在圖4A與4B內所示的燈400A與400B內的漫射部分各自不必須有長軸和短軸，因為在其他實施例中，這樣的漫射部分也可能是正方形的。帶有優(yōu)化的內耦合結構的TIR光學元件以上描述的光學單元采用單片模塊，通過由TIR反射入射在模塊外表面上的光束而將LED發(fā)射的在基本垂直的方向上的光束的至少一部分重定向成在基本水平向下或水平方向傳播。如此處所使用，術語單片模塊的“內表面”指圖2C與3B中分別示出的表面291與391，而術語單片模 塊的“外表面”指圖2C與3B中分別示出的表面292與392。EP0945673A1公開了如圖5中所示的基于TIR的光導，該光導用于將頂發(fā)光LED所發(fā)射的在基本垂直的方向上的光束引導成在水平和/或水平向下的方向上傳播。如圖5中所示，光導520位于基板540上，該光導在頂發(fā)光LED 530上方具有倒三角形的通孔550。如圖5中所示，光導520具有圍繞LED 530的圓頂形內表面570、頂表面510、以及從內表面570徑向延伸以形成徑向反射表面的一對相對反射表面580，其中通孔550的側面550A用于通過TIR在光導的縱向方向上重定向LED所發(fā)射的光。圖5中所示光導的一個問題是所得的結構相對厚，這在要求薄的構建高度的應用中，或內耦合結構是光導的一部分并且因此厚度將由于生產原因受到限制的應用中是不希望的。另外，似乎沒有關注LED發(fā)光表面的擴展尺寸，如下所解釋的，這可能會造成從光導的不受控漏光。還有一個問題是所示的對稱性增加了復雜度，其中附加的側鏡要求將光耦合到光導內。以下描述的是一種通過修改包圍LED的單片模塊的內表面的形狀來幫助改進這些問題中至少一些的方案。以上所描述的實施例對于頂發(fā)光LED特別有利。圖6A示出根據本發(fā)明實施例的帶有修改過的單片模塊的內表面的光學單元600的剖面?zhèn)纫晥D。所述剖面取自光學單元600的對稱平面，該對稱平面類似于圖2A與2B中所示的光學單元200A與200B的平面250。因此，圖6A中所示的剖面?zhèn)纫晥D類似于圖2C中所示的剖面?zhèn)纫晥D。在一個實施例中，類似于光學單元200A/200B與光學單元300，光學單元600可用在上述的燈400A-400F中。在其他實施例中，模塊615可以是光導的一部分,其中所述模塊將用于將LED所發(fā)的光全部光耦合到較長的透明材料中，該透明材料引導光更遠離LED位置,如圖6B中示意性示出的。如圖6A中所示，光學單元600包括含有LED裸片612與圓頂614的LED 610和單片模塊615。LED 610、LED裸片612和圓頂614可以分別類似于以上所描述的LED 210,LED裸片212和圓頂214。因此，以上關于這些元件的所有討論都適用于此，并為簡潔起見于此不再重復。模塊615還包括類似于圖2A與2C中所示和所述側表面220A的漫反射側表面620，所以以上關于漫射側表面的所有討論都適用于此并將不予重復。模塊615類似于215A,該模塊615包括具有內表面691和外表面692的主體，內表面691形成繞LED的腔，所以以上關于模塊215A的所有討論都適用于此，但也有些差異。一個差異是內表面691在LED 610上方有尖峰638。角度639示出峰638的開口角度，如下更加詳細描述的。如帶有腔635的圖6A中所示，在圖示實施例中，模塊615的內表面691在與LED610無物理接觸的情況下包圍LED 610。因此，腔635是被封閉在LED 610的圓頂614 (或裸片612，如果沒有圓頂614而模塊615充當作為LED封裝的一部分的“主光學元件”時)與模塊615之間的空間。類似于以上所描述的間隙235,在各種實施例中，腔635可使用空氣或使用具有適當光學性質的材料填充。在后者的情況中，這可能要求不同形狀的模塊615。在操作中，LED裸片612在基本垂直的方向(B卩，向上)上發(fā)射光，其旨在通過模塊615的重定向部分在基本水平和/或水平向下(或向后)的方向上被重定向。如這里所使用的，術語“水平向下”用于描述朝向放置LED裸片的位置的方向。該重定向可通過跟蹤LED 612所發(fā)出的光束之一，如圖6A中所示的光線651示出。如圖所示，光線65 1包括三個段:651a、651b和651c。段651a示出LED裸片612所發(fā)出的光線651在填充腔635的材料和內表面691之間的邊界處折射前的一段。注意，盡管為了不弄亂附圖而沒有在圖6A中示出，但段651a還可以根據邊界處相應材料的折射率在圓頂614與填充腔635的材料之間的邊界處折射。段651b示出光線651在填充腔635的材料與內表面691之間的邊界處折射并入射在外表面692上的一段。最后,段651c不出光線651通過TIR在外表面692處被反射,從而將光線651從在基本垂直的方向上傳播重定向為在基本水平或向后的方向上傳播。將內表面691做成包括峰638的形狀允許操作光學單元600，其中LED裸片612所發(fā)出的在內表面691處折射后入射在外表面692上的所有光束可通過TIR在外表面692處反射。所得的結構相比于圖5中所示的結構是有優(yōu)勢的，因為從模塊615的不可控漏光顯著減少，同時由于無需在模塊內包括圖5所示結構內所做的重定向光的孔洞，而且無需將模塊615的厚度增加到可將LED視為點發(fā)光源的地步，由此最小化了結構的整體厚度?，F在將參照圖7-12闡述具有包圍LED的單片模塊的內表面的優(yōu)點以及如何能夠達到這樣的內表面形狀，其中該內表面包括在LED上方的尖峰。由于單片模塊的重定向功能類似于所描述的模塊615，這樣的模塊在下面被稱為“重定向結構”。圖7提供圖8-12的描述中所用光學單元700的示意圖。如圖所示，光學單元700包括LED 710和具有內表面791與外表面792的重定向結構715。在一個實施例中，LED710和重定向結構715分別可相似于上述的LED 610和模塊615，所以其細節(jié)描述在此不再重復。盡管在圖7將內表面791示出為圓頂，這與解釋圖8-12所示的結果無關，且實際上，如下所述，內表面791的形狀可以是不同的。類似的，盡管示出外表面792為沙漏形，但根據例如所要求的輻射圖案，這一形狀也可以是不同的。僅示出內表面791以說明“內表面”是重定向結構715的部分包圍LED 710的表面，而示出外表面說明“外表面”是適配成通過TIR反射入射在其上的光束的TIR表面。虛線732與733之間的角度在此被稱為重定向結構715的“壓紋(embossing)角”。在圖8-12的討論中，LED 710或者被視為“點光源”發(fā)光器(也即LED裸片發(fā)出的所有光束被認為源自于單點)，其在圖7中LED710示出為圓，或者被視為“擴展光源”發(fā)光器(也即，LED裸片所發(fā)出的光束被認為非源自單點而是來自裸片發(fā)光表面的不同點)，其在圖7中LED 710示出為是虛線矩形。圖8、9、11和12的說明中使用的坐標系示出有X軸和y軸，其中坐標系的點(0，0)被認為在LED 710(假使是點光源或擴展發(fā)光源)的發(fā)光表面的中心，X軸用于指示位置，以任意長度單位衡量，y軸用于指示重定向結構715的厚度“t”，也以任意長度單位衡量。如這里所用，重定向結構的術語“厚度”指從X軸(通常是從放置LED 710與重定向結構715的基板)到外表面792在7軸方向上測量的距離。所以，圖9中所示厚度tmax示出重定向結構715的厚度為它的最大值(厚度=最大厚度)的點，而圖9中所示厚度h示出重定向結構715在它的最小值處的厚度，在這里被稱為重定向結構“起始厚度”。對于圖9中示出的沙漏形重定向結構，起始厚度恰好沿LED 710光束圖案的對稱軸(也即在LED 710的中心上方)所測得。此起始厚度可由例如LED腔的高度(也即包圍LED裸片912的圓頂914的高度)和具有必需的機械性質或由制造原因給定的重定向結構715材料的最小材料厚度而給出。注意，如這里所使用，術語“最大厚度”中的詞語“最大”是指處于其最大值的重定向結構的厚度，并注意“最小厚度”實際上是允許入射在外表面792上的所有光束通過TIR反射的重定向結構的厚度的最小值。使用斯涅耳(Snell)定律與光傳播定律，可建立一組恰當的三角方程描述從LED發(fā)光表面上不同的光點在不同角度發(fā)射，傳輸到由重定向結構的內與外表面形成的邊界的光的光線路徑。通過以本領域已知方式包括關于由內和外表面的邊界的不同側上的材料的折射率的信息以及關于內表面的形狀的信息，可確定允許入射在外表面792上的全部光束經由TIR反射的外表面792的形狀。在下面的討論中，重定向結構715被假設為由折射率為η的材料制成并為空氣所圍繞(也即，被折射率等于I的材料所圍繞)。為了計算恰好滿足TIR條件的外表面，起始點將在LED 710中心的上方。當重定向結構715的折射率等于1.49(例如，重定向結構715由PMMA制成)且LED 710被視為點發(fā)光源時，可計算沙漏布置的壓紋角度等于95.7度。外表面的下一坐標點(x，y)可由下式計算:yOc) = tQ + ζ tMn(8rm - dx(I)
在方程(I)中，tQ表示重定向結構715的起始厚度，ΘΤΙΚ是滿足TIR條件的最小入射角，而Ptoy是從LED 710的出射角。對于在(0，0)處的點光源，直接與外表面的坐標有關，而外表面的方程變?yōu)?
權利要求
1.一種光學單元，包括: 位于表面上的發(fā)光器件(LED);以及 包圍所述LED并包括重定向部分與第一漫射部分的單片模塊， 其中: 所述第一漫射部分配置成漫射入射在其上的光，并且 所述重定向部分配置成重定向從所述LED發(fā)出的光的至少第一部分以入射在所述第一漫射部分上。
2.如權利要求1所述的單元，其中所述重定向部分還配置成重定向從所述LED發(fā)出的光的第二部分以不入射在所述第一漫射部分上。
3.如權利要求2所述的單元，其中所述第二部分的光包括少于從所述LED發(fā)出的光的45%。
4.如前述權利要求中任一權利要求所述的單元，其中: 所述單片模塊還包括第二漫射部分，并且 所述重定向部分還配置 成重定向從所述LED所發(fā)出的光的第三部分以入射在所述第二漫射部分上，使得所述重定向的光的第一部分在所述表面上的投影與所述重定向的光的第三部分在所述表面上的投影形成在O度與180度之間的角。
5.如前述權利要求中任一權利要求所述的單元，其中所述單片模塊關于所述單片模塊的對稱軸旋轉對稱，所述對稱軸與所述LED的光束圖案的對稱軸重合。
6.如權利要求1-5中任一權利要求所述的單元，其中所述LED包括發(fā)光裸片和位于所述發(fā)光裸片上方的圓頂，且其中所述單片模塊位于所述圓頂上方。
7.如權利要求1-5中任一權利要求所述的單元，其中所述LED包括發(fā)光裸片且所述單片模塊緊挨著位于所述裸片的上方。
8.如前述權利要求中任一權利要求所述的單元，其中所述重定向部分配置成通過全內反射重定向光。
9.如前述權利要求中任一權利要求所述的單元，其中所述第一漫射部分包括涂覆在部分所述重定向部分上的漫射材料。
10.如前述權利要求中任一權利要求所述的單元，還包括漫射蓋，所述蓋配置成漫射地透射入射在其上的光，其中所述第一漫射部分配置成漫射地反射入射在其上的至少部分光以入射在所述漫射蓋上。
11.如前述權利要求中任一權利要求所述的單元，其中所述單片模塊包括內表面與外表面，其中: -所述內表面適配成形成腔，其中所述腔適配成至少部分地包圍所述LED， -所述內表面適配成折射從所述LED發(fā)出的光的第一部分中的至少第一部以入射在所述外表面上， -所述外表面適配成通過全內反射反射入射在其上的光的所述第一部分的所述第一部，以及 所述內表面包含峰。
12.如權利要求11所述的單元，其中所述內表面關于所述內表面的對稱軸旋轉對稱，所述內表面的對稱軸適配成與所述LED的光束圖案的對稱軸重合，或所述單片模塊關于所述單片模塊的對稱軸旋轉對稱，所述單片模塊的對稱軸適配成與所述LED的所述光束圖案的對稱軸重合。
13.如權利要求12所述的單元，其中，在所述單片模塊的橫截面內，所述橫截面包括所述LED的所述光束圖案的所述對稱軸，所述峰在沿所述LED的所述光束圖案的所述對稱軸的一點處。
14.一種燈，包括兩個或更多個前述任一權利要求所述的單元。
15.一種燈，包括: 位于表面上的第一發(fā)光器件與第二發(fā)光器件(LED);以及 包圍所述第一 LED與第二 LED并包括重定向部分與第一漫射部分的單片模塊， 其中: 所述第一漫射部分配置成漫射入射在其上的光，并且 所述重定向部分配置成重定向從所述第一 LED與第二 LED中的每個發(fā)出的光的至少第一部分以入 射在所述第一漫射部分上。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于LED的光學單元，所述光學單元包括位于表面上的LED，以及包圍所述LED并且包括重定向部分與第一漫射部分的單片模塊。所述第一漫射部分配置成漫射入射在其上的光。所述重定向部分配置成重定向所述LED所發(fā)出的光的至少第一部分以入射在所述第一漫射部分上。
文檔編號F21V7/00GK103228982SQ201180057526
公開日2013年7月31日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權日2010年11月30日
發(fā)明者A·G·范德西杰德, T·H·希姆斯特拉, N·B·普費弗, F·H·柯尼杰恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司